CN107069695A - 一种基于双有源全桥变换器的混合储能***及其控制方法 - Google Patents

一种基于双有源全桥变换器的混合储能***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双有源全桥变换器混合储能***及其控制方法：由超级电容，锂电池，双有源全桥变换器，Buck/Boost双向变换器和直流母线构成，两种储能设备形成一种级联型的混合储能***。超级电容通过双有源全桥变换器与直流母线连接，采用移相闭环控制，通过采集直流母线电压信息，自动调节混合储能***输出功率，以稳定直流母线电压。锂电池通过Buck/Boost双向变换器与超级电容连接，采用电压电流双闭环控制，通过采集超级电容的电压控制锂电池的自动充放电，使超级电容的电压维持在工作电压范围内，对直流微电网功率波动进行间接补偿，以减少锂电池动作频率，有效延长其使用寿命。

Description

一种基于双有源全桥变换器的混合储能***及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流微电网混合储能领域，具体是一种基于双有源全桥变换器的混合储能***及其控制方法。
背景技术
随着环境污染问题的严重加剧和新能源需求的日益增加，直流微电网技术的发展得到了越来越多的关注。微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、电力电子变换器以及监控保护装置有机整合在一起的发配电***。在直流微电网中，由于分布式电源输出功率的间歇性和随机性，储能***成为直流微电网的重要组成部分，用于维持直流微电网内部的功率平衡，并稳定直流母线电压。混合储能***利用超级电容和锂电池在性能上的优势互补性，将它们混合使用，通过接口变换器连接至直流母线，通过采用合理的控制策略，提高储能***的整体性能。储能***通过双向DC/DC变换器与直流母线相连接，通过采集直流母线电压信息和储能***的运行状态，来控制储能***的充放电。有关学者设计了采用两个Buck/Boost双向变换器分别将超级电容和锂电池连接至直流母线，再将两部分并联的混合储能***。一般在电压变换等级要求较低的情况下，采用这种混合储能***具有电路结构简单，电路元件少，控制方式简便的优势。但在较高的电压变换等级要求下，由于Buck/Boost双向变换器的升压比较小，开关损耗大，使得储能设备的额定电压必须提高，带来储能设备单体之间的不平衡问题。并且采用Buck/Boost双向变换器与直流母线直接连接的储能***，不具有电气隔离性能，储能***的安全性较低。因此需要发明一种新的混合储能***，解决现有混合储能***中存在的问题，以提高混合储能***的整体运行性能。
发明内容
本发明为了解决现有的混合储能***中变压比小，缺乏电气隔离性能，锂电池充放电频繁，寿命短的问题，提供了一种基于双有源全桥变换器的混合储能***及其控制方法。
本发明是通过如下技术方案实现的。
一种基于双有源全桥变换器的混合储能***，包括超级电容、锂电池、双有源全桥变换器、Buck/Boost双向变换器；所述超级电容通过双有源全桥变换器与直流母线连接，所述双有源全桥变换器采用移相闭环控制；所述锂电池通过Buck/Boost双向变换器与超级电容连接，所述的Buck/Boost双向变换器采用电压电流双闭环控制。
将上述两种储能设备组合形成一种级联型的混合储能***。
一种基于双有源全桥变换器的混合储能***的控制方法如下：
双有源全桥变换器的控制方法为：移相闭环控制，即设定混合储能***给定参考电压U ref与直流母线电压U dc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过限幅器后得出移相占空比D 1的值，然后移相占空比D 1经过移相PWM发生器输出经过移相的PWM波形对双有源全桥变换器的开关管进行移相PWM调制。双有源全桥变换器为移相闭环控制，目的是通过直流母线电压信息，自动调节混合储能***输出功率，以稳定直流母线电压。
Buck/Boost双向变换器的控制方法为：电压电流双闭环控制，即设定超级电容给定参考电压U sc_ref与超级电容电压U sc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过电流限幅器后得出锂电池参考输出电流I bat_ref，再与锂电池输出电流I bat相比较后送入电流PI调节器，电流PI调节器输出值作为Buck/Boost双向变换器的占空比值D 2，然后占空比值D 2经过PWM发生器输出PWM波形对Buck/Boost双向变换器的开关管进行PWM调制。Buck/Boost双向变换器为电压电流双闭环控制，目的是根据超级电容的电压控制锂电池的自动充放电，使超级电容的电压维持在工作电压范围内，对直流微电网功率波动进行间接补偿，以减少锂电池动作频率，有效延长其使用寿命。
超级电容的控制方法为：设定超级电容与双有源全桥变换器的工作状态判定区间，具体设计为：设定直流母线电压U DC为其额定电压，对其进行分区，U LD3<U LD2<U LD1<U DC<U HD1<U HD2<U HD3为双有源全桥变换器工作的电压阈值。[U LD3，U LD2)为LD（Limited Discharge,限流放电）区间，[U LD2，U LD1]为D（Discharge，放电）区间，(U LD1，U HD1)为S（Space,空闲）区间，[U HD1，U HD2]为C（Charge,充电）区间，(U HD2，U HD3]为LC（Limited Charge，限流充电）区间。U HD3和U LD3分别为直流***能保持正常运行时对应的母线电压极值。U HD2和U LD2分别为混合储能***的充电电流和放电电流达到极限时所对应的母线电压，为保证混合储能***良好的工作，U HD2和U LD2应该在母线电压允许的最大波动范围以内，通常取直流母线额定电压的±5%。U HD1和U LD1分别为混合储能***起始充电和放电的电压临界值，以避免直流母线电压U dc正常产生很小的波动时双有源全桥变换器的频繁动作，通常取直流母线额定电压的±1%~±2%。U dc为直流母线电压实际值，超级电容的工作状态为：
（1）当U dc在LD区间内，直流母线电压低于参考值，超级电容工作在限流放电状态，通过双有源全桥变换器，以最大放电电流将能量传输给直流母线；
（2）当U dc在D区间内，直流母线电压低于参考值，超级电容工作在放电状态，通过双有源全桥变换器，以移相控制所调制出的放电电流将能量传输给直流母线；
（3）当U dc在S区间内，直流母线电压稳定在参考值附近，超级电容工作在空闲状态，不与直流母线进行能量交换；
（4）当U dc在C区间内，直流母线电压高于参考值，超级电容工作在充电状态，通过双有源全桥变换器，以移相控制所调制出的充电电流吸收直流母线的能量；
（5）当U dc在LC区间内，直流母线电压高于参考值，超级电容工作在限流充电状态，通过双有源全桥变换器，以最大充电电流吸收直流母线的能量。
所述锂电池的控制方法为：设定锂电池与Buck/Boost双向变换器的工作状态判定区间，具体设计为：设定超级电容电压U SC为其参考电压，对其进行分区，U LS3<U LS2<U LS1<U SC<U HS1<U HS2<U HS3为Buck/Boost双向变换器工作的电压阈值。[U LS3，U LS2)为LD区间，[U LS2，U LS1]为D区间，(U LS1，U HS1)为S区间，[U HS1，U HS2]为C区间，(U HS2，U HS3]为LC区间。U HS3和U LS3分别为超级电容能保持正常运行时对应的电压极值，通常由超级电容的本身特性决定。超级电容电压参考值U SC为其荷电状态一半所对应的电压。U HS2和U LS2分别为锂电池所规定的限流放电和充电所对应的电压值，通常取超级电容电压所设定电压U SC的±60%~±80%。U HD1和U LD1分别为锂电池起始充电和放电的电压临界值，该值通过***中锂电池和超级电容的容量配比结合需要设置的锂电池充放电频率决定，通常取超级电容电压所设定电压U SC的±10%~±50%，所设定的[U LS1,U HS1]范围越窄，锂电池充放电次数越频繁。举例：超级电容额定电压48V，根据超级电容规定设定U LS3=4V，U HS3=50V，U SC=24V，[U LS1,U HS1]取设定电压U SC的±50%，则U LS1=12V，U HS1=36V，超级电容实际值与参考值差越大时，锂电池充放电电流越大，配置锂电池所规定的限流放电和充电所对应的电压值为U SC的±80%，则U LS2=4.8V，U HS2=43.2V。U sc为超级电容实际电压，锂电池的工作状态为：
（1）当U sc在LD区间内，超级电容电压低于参考值，锂电池工作在限流放电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以最大放电电流将能量传输给超级电容；
（2）当U sc在D区间内，超级电容电压低于参考值，锂电池工作在放电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以双闭环控制所调制出的放电电流将能量传输给超级电容；
（3）当U sc在S区间内，超级电容电压稳定在参考值附近，锂电池工作在空闲状态，不与超级电容进行能量交换；
（4）当U sc在C区间内，超级电容电压高于参考值，锂电池工作在充电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以双闭环控制所调制出的充电电流吸收超级电容的能量；
（5） 当U sc在LC区间内，超级电容电压高于参考值，锂电池工作在限流充电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以最大充电电流吸收超级电容的能量。
上述的一种基于双有源全桥变换器的混合储能***，将锂电池和Buck/Boost双向变换器整合为模块Ⅰ，将超级电容和双有源全桥变换器整合为模块Ⅱ，模块Ⅰ与模块Ⅱ整合为储能模块，储能模块依据直流***的要求进行合适的配比，然后将储能模块在直流母线上根据配比进行并联配置。
本发明所提供的上述一种基于双有源全桥变换器的混合储能***及其控制方法，与现有技术相比，所具有的优点与有益效果在于：（1）通过双有源全桥变换器将储能设备与直流母线进行连接，具有良好的电气隔离性能，提高了混合储能***的安全可靠性；（2）双有源全桥变换器具有高升压比可降低储能设备的额定电压，减少储能单元串联过多而造成的不平衡问题；（3）所述的混合储能***充放电控制方案能使锂电池间接地补偿直流微电网的功率波动，有效减少其动作频率延长其使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种基于双有源全桥变换器的混合储能***的结构示意图。
图2是本发明中双有源全桥变换器的移相闭环控制***结构示意图。
图3是本发明中Buck/Boost双向变换器的电压电流双闭环控制结构示意图。
图4是本发明中直流母线电压分区示意图。
图5是本发明中超级电容电压分区示意图。
图4中：U DC表示直流母线额定电压；I ES_lim1表示混合储能***的放电电流的限值；I ES_lim2表示混合储能***的放电电流的限值。
图5中：U SC表示超级电容额定电压；I bat_lim1表示锂电池的放电电流的限值；I bat_lim2表示锂电池的放电电流的限值。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
一种基于双有源全桥变换器的混合储能***，如图1所示：包括超级电容、锂电池、双有源全桥变换器、Buck/Boost双向变换器；所述超级电容通过双有源全桥变换器与直流母线连接，所述双有源全桥变换器采用移相闭环控制；所述锂电池通过Buck/Boost双向变换器与超级电容连接，所述的Buck/Boost双向变换器采用电压电流双闭环控制。
将上述两种储能设备组合形成一种级联型的混合储能***。
上述基于双有源全桥变换器的混合储能***的控制方法如下：
双有源全桥变换器的控制方法为：移相闭环控制，如图2所示，即设定混合储能***给定参考电压U ref与直流母线电压U dc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过限幅器后得出移相占空比D 1的值，然后移相占空比D 1经过移相PWM发生器输出经过移相的PWM波形对双有源全桥变换器的开关管进行移相PWM调制。双有源全桥变换器为移相闭环控制，目的是通过直流母线电压信息，自动调节混合储能***输出功率，以稳定直流母线电压。
Buck/Boost双向变换器的控制方法为：电压电流双闭环控制，如图3所示，即设定超级电容给定参考电压U sc_ref与超级电容电压U sc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过电流限幅器后得出锂电池参考输出电流I bat_ref，再与锂电池输出电流I bat相比较后送入电流PI调节器，电流PI调节器输出值作为Buck/Boost双向变换器的占空比值D 2，然后占空比值D 2经过PWM发生器输出PWM波形对Buck/Boost双向变换器的开关管进行PWM调制。Buck/Boost双向变换器为电压电流双闭环控制，目的是根据超级电容的电压控制锂电池的自动充放电，使超级电容的电压维持在工作电压范围内，对直流微电网功率波动进行间接补偿，以减少锂电池动作频率，有效延长其使用寿命。
超级电容的控制方法为：设定超级电容与双有源全桥变换器的工作状态判定区间，具体设计为：设定直流母线电压U DC为其额定电压，对其进行分区，U LD3<U LD2<U LD1<U DC<U HD1<U HD2<U HD3为双有源全桥变换器工作的电压阈值。[U LD3，U LD2)为LD（Limited Discharge,限流放电）区间，[U LD2，U LD1]为D（Discharge，放电）区间，(U LD1，U HD1)为S（Space,空闲）区间，[U HD1，U HD2]为C（Charge,充电）区间，(U HD2，U HD3]为LC（Limited Charge，限流充电）区间。U HD3和U LD3分别为直流***能保持正常运行时对应的母线电压极值。U HD2和U LD2分别为混合储能***的充电电流和放电电流达到极限时所对应的母线电压，为保证混合储能***良好的工作，U HD2和U LD2应该在母线电压允许的最大波动范围以内，通常取直流母线额定电压的±5%。U HD1和U LD1分别为混合储能***起始充电和放电的电压临界值，以避免直流母线电压U dc正常产生很小的波动时双有源全桥变换器的频繁动作，通常取直流母线额定电压的±1%~±2%。U dc为直流母线电压实际值，如图5所示，超级电容的工作状态为：
（1）当U dc在LD区间内，直流母线电压低于参考值，超级电容工作在限流放电状态，通过双有源全桥变换器，以最大放电电流将能量传输给直流母线；
（2）当U dc在D区间内，直流母线电压低于参考值，超级电容工作在放电状态，通过双有源全桥变换器，以移相控制所调制出的放电电流将能量传输给直流母线；
（3）当U dc在S区间内，直流母线电压稳定在参考值附近，超级电容工作在空闲状态，不与直流母线进行能量交换；
（4）当U dc在C区间内，直流母线电压高于参考值，超级电容工作在充电状态，通过双有源全桥变换器，以移相控制所调制出的充电电流吸收直流母线的能量；
（5）当U dc在LC区间内，直流母线电压高于参考值，超级电容工作在限流充电状态，通过双有源全桥变换器，以最大充电电流吸收直流母线的能量。
所述锂电池的控制方法为：设定锂电池与Buck/Boost双向变换器的工作状态判定区间，具体设计为：设定超级电容电压U SC为其参考电压，对其进行分区，U LS3<U LS2<U LS1<U SC<U HS1<U HS2<U HS3为Buck/Boost双向变换器工作的电压阈值。[U LS3，U LS2)为LD区间，[U LS2，U LS1]为D区间，(U LS1，U HS1)为S区间，[U HS1，U HS2]为C区间，(U HS2，U HS3]为LC区间。U HS3和U LS3分别为超级电容能保持正常运行时对应的电压极值，通常由超级电容的本身特性决定。超级电容电压参考值U SC为其荷电状态一半所对应的电压。U HS2和U LS2分别为锂电池所规定的限流放电和充电所对应的电压值，通常取超级电容电压所设定电压U SC的±60%~±80%。U HD1和U LD1分别为锂电池起始充电和放电的电压临界值，该值通过***中锂电池和超级电容的容量配比结合需要设置的锂电池充放电频率决定，通常取超级电容电压所设定电压U SC的±10%~±50%，所设定的[U LS1,U HS1]范围越窄，锂电池充放电次数越频繁。举例：超级电容额定电压48V，根据超级电容规定设定U LS3=4V，U HS3=50V，U SC=24V，[U LS1,U HS1]取设定电压U SC的±50%，则U LS1=12V，U HS1=36V，超级电容实际值与参考值差越大时，锂电池充放电电流越大，配置锂电池所规定的限流放电和充电所对应的电压值为U SC的±80%，则U LS2=4.8V，U HS2=43.2V。U sc为超级电容实际电压，锂电池的工作状态为：
（1）当U sc在LD区间内，超级电容电压低于参考值，锂电池工作在限流放电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以最大放电电流将能量传输给超级电容；
（2）当U sc在D区间内，超级电容电压低于参考值，锂电池工作在放电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以双闭环控制所调制出的放电电流将能量传输给超级电容；
（3）当U sc在S区间内，超级电容电压稳定在参考值附近，锂电池工作在空闲状态，不与超级电容进行能量交换；
（4）当U sc在C区间内，超级电容电压高于参考值，锂电池工作在充电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以双闭环控制所调制出的充电电流吸收超级电容的能量；
（5）当U sc在LC区间内，超级电容电压高于参考值，锂电池工作在限流充电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以最大充电电流吸收超级电容的能量。
上述的一种基于双有源全桥变换器的混合储能***，将锂电池和Buck/Boost双向变换器整合为模块Ⅰ，将超级电容和双有源全桥变换器整合为模块Ⅱ，模块Ⅰ与模块Ⅱ整合为储能模块，储能模块依据直流***的要求进行合适的配比，然后将储能模块在直流母线上根据配比进行并联配置。

Claims (3)

1.一种基于双有源全桥变换器的混合储能***，其特征在于：包括超级电容、锂电池、双有源全桥变换器、Buck/Boost双向变换器以及直流母线；所述超级电容通过双有源全桥变换器与直流母线连接，所述双有源全桥变换器采用移相闭环控制；所述锂电池通过Buck/Boost双向变换器与超级电容连接，所述的Buck/Boost双向变换器采用电压电流双闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于双有源全桥变换器的混合储能***，其特征在于：锂电池和Buck/Boost双向变换器整合为模块Ⅰ，超级电容和双有源全桥变换器整合为模块Ⅱ，所述模块Ⅰ与模块Ⅱ整合为储能模块，所述储能模块依据直流***的要求进行合适的配比，然后将储能模块在直流母线上根据配比进行并联配置。
3.根据权利要求1所述的一种基于双有源全桥变换器的混合储能***的控制方法，其特征在于：
双有源全桥变换器的控制方法为：移相闭环控制，即设定混合储能***给定参考电压U ref与直流母线电压U dc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过限幅器后得出移相占空比D 1的值，然后移相占空比D 1经过移相PWM发生器输出经过移相的PWM波形对双有源全桥变换器的开关管进行移相PWM调制；
Buck/Boost双向变换器的控制方法为：电压电流双闭环控制，即设定超级电容给定参考电压U sc_ref与超级电容电压U sc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过电流限幅器后得出锂电池参考输出电流I bat_ref，再与锂电池输出电流I bat相比较后送入电流PI调节器，电流PI调节器输出值作为Buck/Boost双向变换器的占空比值D 2，然后占空比值D 2经过PWM发生器输出PWM波形对Buck/Boost双向变换器的开关管进行PWM调制；
超级电容的控制方法为：设定超级电容与双有源全桥变换器的工作状态判定区间，具体设计为：设定直流母线电压U DC为其额定电压，对其进行分区，U LD3<U LD2<U LD1<U DC<U HD1<U HD2<U HD3为双有源全桥变换器工作的电压阈值；[U LD3，U LD2)为LD区间，[U LD2，U LD1]为D区间，(U LD1，U HD1)为S区间，[U HD1，U HD2]为C区间，(U HD2，U HD3]为LC区间；U HD3和U LD3分别为直流***能保持正常运行时对应的母线电压极值；U HD2和U LD2分别为混合储能***的充电电流和放电电流达到极限时所对应的母线电压；U HD1和U LD1分别为混合储能***起始充电和放电的电压临界值，U dc为直流母线电压实际值，超级电容的工作状态为：
（1）当U dc在LD区间内，直流母线电压低于参考值，超级电容工作在限流放电状态，通过双有源全桥变换器，以最大放电电流将能量传输给直流母线；
（2）当U dc在D区间内，直流母线电压低于参考值，超级电容工作在放电状态，通过双有源全桥变换器，以移相控制所调制出的放电电流将能量传输给直流母线；
（3）当U dc在S区间内，直流母线电压稳定在参考值附近，超级电容工作在空闲状态，不与直流母线进行能量交换；
（4）当U dc在C区间内，直流母线电压高于参考值，超级电容工作在充电状态，通过双有源全桥变换器，以移相控制所调制出的充电电流吸收直流母线的能量；
（5）当U dc在LC区间内，直流母线电压高于参考值，超级电容工作在限流充电状态，通过双有源全桥变换器，以最大充电电流吸收直流母线的能量；
锂电池的控制方法为：设定锂电池与Buck/Boost双向变换器的工作状态判定区间，具体设计为：设定超级电容电压U SC为其参考电压，对其进行分区，U LS3<U LS2<U LS1<U SC<U HS1<U HS2<U HS3为Buck/Boost双向变换器工作的电压阈值；[U LS3，U LS2)为LD区间，[U LS2，U LS1]为D区间，(U LS1，U HS1)为S区间，[U HS1，U HS2]为C区间，(U HS2，U HS3]为LC区间；U HS3和U LS3分别位超级电容能保持正常运行时对应的电压极值；U HS2和U LS2分别为超级电容所规定的限流放电和充电电压阈值；U HD1和U LD1分别为锂电池起始充电和放电的电压临界值，U sc为超级电容实际电压，锂电池的工作状态为：
（1）当U sc在LD区间内，超级电容电压低于参考值，锂电池工作在限流放电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以最大放电电流将能量传输给超级电容；
（2）当U sc在D区间内，超级电容电压低于参考值，锂电池工作在放电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以双闭环控制所调制出的放电电流将能量传输给超级电容；
（3）当U sc在S区间内，超级电容电压稳定在参考值附近，锂电池工作在空闲状态，不与超级电容进行能量交换；
（4）当U sc在C区间内，超级电容电压高于参考值，锂电池工作在充电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以双闭环控制所调制出的充电电流吸收超级电容的能量；
（5）当U sc在LC区间内，超级电容电压高于参考值，锂电池工作在限流充电状态，通过Buck/Boost双向变换器，以最大充电电流吸收超级电容的能量。
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